《机器视觉技术》课件-第1章机器视觉概述

机器视觉技术1——程光主编李一男副主编前沿机器视觉，就是用机器代替人眼，来做测量和判断。本质上，机器视觉是图像分析技术在工厂自动化中的应用，通过使用光学系统、工业数字相机和图像处理工具，来模拟人的视觉能力，并做出相应的决策，最终通过指挥某种特定的装置执行这些决策。伴随着人工智能产业升温，机器视觉行业有望迈向新的发展阶段，市场规模将加速扩张。乐观预计，未来几年，机器视觉行业年均增长率可维持在30%左右，到2021年，市场规模将超过100亿元，前景广阔。国内高等院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场的应用，主要应用于电子、汽车、手机原件、制药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。在不久的将来，我国对机器视觉这种智能化终端设备的使用量将成数量级增长，这些设备的投入将给生产现场的技术人员提出新的技术要求和挑战。本书由中国电子学会嵌入式系统与机器人分会策划，由北京联合大学机器人学院和北京博创智联科技有限公司联合编写。中国电子学会嵌入式系统与机器人分会一直从事机器人普及推广工作，具有丰富的产学研资源。北京博创智联科技有限公司依托北京航空航天大学，多年来在教育机器人、医疗机器人、娱乐机器人等方面有着深厚的技术积淀，得到了业界一致认可。北京博创智联科技有限公司拥有成熟的工业机器人教学体系和教学设备，经过一线研发人员与高校一线老师相互配合，以校企结合的方式，保证了教材的专业性与合理性。本书前两章介绍了机器视觉的基础和系统构成，第三章至第七章介绍了视觉开发平台（图形化语言Labview）的应用，第八章至十一章为机器视觉应用案例，第十二章为VS平台下基于Opencv的视觉开发，机器视觉设备由北京博创智联科技有限公司提供。23目录1机器视觉概述2机器视觉系统构成3NI视觉平台的搭建4LabVIEW编程环境与基本操作5LabVIEW编程结构6LabVIEW数组、簇、图形编程7字符串、文件I/O和属性节点编程8图像的采集保存与读取9相机标定10图像处理11视觉分拣12基于OpenCV的视觉分拣第一章机器视觉概述1.1机器视觉的概念机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。通俗的说就是用机器代替人眼，来做测量和判断。4本质上，机器视觉是图像分析技术在工厂自动化中的应用，通过使用光学系统、工业数字相机和图像处理工具，来模拟人的视觉能力，并做出相应的决策，最终通过指挥某种特定的装置执行这些决策。图1-1机器视觉系统1.1机器视觉的概念一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足一系列明确要求的系统。当这些要求完全确定后，这个系统就设计来满足这些精确的要求。在现代工业自动化生产过程中，机器视觉已经开始慢慢取代人工视觉，尤其是在工况检测、成品检验、质量控制等领域，应用广泛，随着工业4.0时代的到来，这一趋势不可逆转。5第一章机器视觉概述第一章机器视觉概述1.2机器视觉的优点6精度高作为一个精确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多部件中的一个进行空间测量。因为此种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损和危险。随着数字相机的发展，相机的像素分辨率越来越高，因此系统可以达到非常高的测量精度，如很多应用可以将精度做到0.1微米数量级。连续性视觉系统可以使人们免受疲劳之苦。因为没有人工操作者，机器不需要休息，因此其可以连续24小时工作。第一章机器视觉概述1.2机器视觉的优点7稳定性真是机器视觉测量是无人操作的，因此也就没有人为的误判，所以被测产品不会造成漏检和误检。机器测量时，当给定了测量标准后，合格的产品是合格的，不合格的产品是不合格的。当然，中间会有一些临界值，可能会因为测量的影响，有一定的变化，但这种问题，是所有测试测量中都会出现的问题。在生产中，可以将规格设置严格一些，至少保证所有合格产品都是合格的，而不合格的可以通过多次检测进行判断其是否合格。性价比高随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统性价比也变得越来越高。例如一个价值10万块的机器视觉尺寸测量设备可以轻松取代10个人工检测者，而每个检测者每年至少需要3万元工资。而随着中国人口红利消失，用人成本逐年上升，机器的价值将会得到更多的体现。另外，视觉系统的操作和维护费用也非常低。。第一章机器视觉概述1.2机器视觉的优点8生产效率高机器视觉设备可以每秒钟检测几十个产品。而这样的速度，根本不是人可以完成的。例如一台编带机检查，每分钟可以检查一千多个元件的方向是否正确，一小时将会有6万多产品被检查，这要是让人一小时检查6万多产品，可能需要几十或几百人。灵活性视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的需求即可。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展9国内真正开始起步是20世纪80年代，20世纪90年代进入发展期，高速发展则是近几年的事情。中国正在成为世界机器视觉发展较活跃的地区之一，其中最主要的原因是中国已经成为全球的加工中心，许多先进生产线已经或正在迁移到中国，伴随这些先进生产线的迁移，许多具有国际先进水平的机器视觉系统也进入中国。1990年以前，仅仅在大学和研究所中有一些研究图像处理和模式识别的实验室。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展1020世纪90年代初，一些来自这些研究机器的工程师成立了他们的自己的视觉公司，开发了第一代图像处理产品，例如基于ISA总线的灰度级图像采集卡，和一些简单的图像处理软件库，他们的产品在大学的实验室和一些工业场合得到了应用，人们能够做一些基本的图像处理和分析工作。1990-1998年为初级阶段。期间真正的机器视觉市场销售额微乎其微。主要的国际机器视觉厂商还没有进入中国市场。自从1998年，越来越多的电子和半导体工厂，包括香港和台湾投资的工厂，落户华南和华东，带有机器视觉的整套的生产线和高级设备被引入中国。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展111998-2002年定义为机器视觉概念的引入期。在此阶段，许多著名视觉设备供应商如matsushita，omron，cognex，dvt，ccs，datatranslation，matrix，coreco开始接触中国市场寻求本地合作伙伴。第三阶段从2002年至今，我们称之为机器视觉发展期，从下面几点我们可以看到中国机器视觉的快速增长趋势：在各个行业，越来越多的客户开始寻求视觉检测方案，机器视觉可以解决精确的测量问题和更好地提高他们的产品质量，一些客户甚至建立了自己的视觉部门。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展12第三阶段从2002年至今，我们称之为机器视觉发展期，从下面几点我们可以看到中国机器视觉的快速增长趋势：2.越来越多的本地公司开始在他们的业务中引入机器视觉，一些是普通工控产品代理商，一些是自动化系统集成商，一些是新的视觉公司。虽然他们绝大多数尚没有充分的回报，但都一致认为机器视觉市场潜力很大。资深视觉工程师和实际项目经验的缺乏是他们面临的最主要的问题。3．一些有几年实际经验的公司逐渐给自己的定位以便更好的发展机器视觉业务。他们或者继续提高采集卡、图像软件开发能力，或者试图成为提供工业现场方案或视觉检查设备的领袖厂商。单纯的代理仍然是他们业务的一部分，但他们已经开始开发自己的技术或者诀窍，在元件和系统的层次上。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展13第三阶段从2002年至今，我们称之为机器视觉发展期，从下面几点我们可以看到中国机器视觉的快速增长趋势：4．经过几年寻找代理的过程，许多跨国公司开始在中国建立自己的分支机构。通常他们在北京、上海或广州建立自己在中国的分支机构，来管理关键的客户以及向合作伙伴提供技术和商务支持。

未来机器视觉的发展将呈现下列趋势:技术方面的趋势是数字化、实时化、智能化图像采集与传输的数字化是机器视觉在技术方面发展的必然趋势。更多的数字摄像机，更宽的图像数据传输带宽，更高的图像处理速度，以及更先进的图像处理算法将会推出，将会得到更广泛的应用。这样的技术发展趋势将使机器视觉系统向着实时性更好和智能程度更高的方向不断发展。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展14未来机器视觉的发展将呈现下列趋势:产品方面：智能摄像机将会占据市场主要地位智能摄像机具有体积小、价格低、使用安装方便、用户二次开发周期短的优点，非常适合生产线安装使用，越来越受到用户的青睐，智能摄像机所采用的许多部件与技术都来自IT行业，其价格会不断降低，逐渐会为最终用户所接受。因此，在众多的机器视觉产品中，预计智能摄像机在未来会占据主要地位。另外，机器视觉传感器会逐渐发展成为光电传感器中的重要产品。目前许多国际著名的光电传感器生产企业，如KEYENCE，OMRON，BANNER等都将机器视觉传感器作为光电传感器中新型的传感器来发展与推广。市场份额迅速扩大一方面已经采用机器视觉产品的应用领域，对机器视觉产品的的依赖性将更强；另一方面机器视觉产品将应用到其他更广的领域。机器视觉市场将不断增大。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的发展15未来机器视觉的发展将呈现下列趋势:行业方面发展更加迅速机器视觉行业专业性公司增多，投资和从业人员增加，竞争加剧是机器视觉行业未来几年的发展趋势，机器视觉行业作为一个新兴的行业将逐步发展成熟，将越来越越受到人们的重视。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的应用领域16机器视觉系统是实现仪器设备精密控制、智能化、自动化最有效途径，堪称现代工业生产的“机器眼睛”。最大优点（１）实现非接触测量。对观测与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高了系统的可靠性；（２）具有较宽的光谱响应范围。机器视觉可以利用专用的光敏元件，可以观察到人类无法看到的世界，从而扩展了人类的视觉范围。（３）长时间工作。人类难以长时间地对同一对象进行观测。机器视觉系统可以长时间地执行观测、分析与识别任务,并可应用于恶劣的工作环境。第一章机器视觉概述1.3机器视觉的应用领域17最初，机器视觉多用于电子及半导体行业，也有“国外机器视觉的崛起很大程度上是得益于其半导体行业发展”的说法。因为，半导体行业的诸如锡膏印刷机、贴片机、AOI检测这类的设备必须使用高性能机器视觉组件。图1-2机器视觉领域分布第一章机器视觉概述1.3机器视觉的应用领域18随着中国制造业的蓬勃发展，机器视觉行业也在中国市场度过了发展的最初时期，不仅国际知名品牌纷纷在中国开展业务，中国本土的企业也逐渐兴起，机器视觉已为广大客户所熟知，应用范围也逐步扩大，由起初的电子制造业和半导体生产企业，发展到了包装、印刷、烟草、医疗、制药、ITS（智能交通系统）、安防、物流、机器人、纺织、五金加工等多个行业。它主要提供产品尺寸测量、角度测量、表面检测、纹理分析、定位导航、OCR/OCV、条码识别、数据读取、存在性、颜色分析与识别等。图1-3机器视觉在半导体领域第一章机器视觉概述1.3机器视觉的应用领域19高性能、精密的专业设备制造领域中机器视觉的应用十分广泛，比较典型的是国际范围内最早带动整个机器视觉行业崛起的半导体行业，从上游晶圆加工制造的分类切割，到末端电路板印刷、贴片，都依赖于高精度的视觉测量对于运动部件的引导和定位。在国际市场上，半导体制造行业对于机器视觉的需求占全行业市场需求的40%-50%。在电子制造领域，小到电容、连接器等元器件，大到手机键盘、PC主板、硬盘，在电子制造行业链条的各个环节，几乎都能看到机器视觉系统的身影。机器视觉按应用功能划分，主要是四个方面：测量、检测、识别、定位。在检测环节中，3C自动化设备应用最高，有70%的机器视觉单位应用在该环节，在实际应用中，机器视觉检测系统可以快速检测排线